DE10230745A1

DE10230745A1 - Kolben mit kurzer Kompressionshöhe

Info

Publication number: DE10230745A1
Application number: DE2002130745
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Mielke
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: DE10230745B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einem in einem Kolbenboden (2) angeordneten Ringfeld (3) und einem dahinter angeordneten Kühlkanal (4), wobei zunächst ein Kolbenrohling hergestellt wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß vom Außenumfang des Kolbenrohlings in den Kolbenboden (2) eine radial umlaufende Ausnehmung (5) eingebracht wird, die teilweise den Kühlkanal (4) bildet, wobei anschließend die Ausnehmung (5) von einem Einsatz (6) radial umlaufend verschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen Kolben mit kurzer Kompressionshöhe gemäß den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.

Aus der DE 44 46 726 A1 ist ein Kolben und ein Verfahren zur Herstellung dieses Kolbens bekannt, bei dem bei einem Kolbenrohling eine ringförmige Ausnehmung durch spanabhebende Bearbeitung angebracht wird. Diese ringförmige Ausnehmung ist erforderlich, um einen nach unten offenen Kanal ebenfalls mittels spanabhebender Bearbeitung einzubringen. Nachdem der Kühlkanal eingebracht worden ist, wird er von einem Abdeckring verschlossen. Ein derart hergestellter und konstruierter Kolben weist zwar in seinem Kolbenboden einen Kühlkanal auf, mit dem dieser Bereich, insbesondere der Bereich des Ringfeldes und dessen erster Ringnut, gekühlt werden kann. Allerdings ist es erforderlich, zur Realisierung einer entsprechenden Höhe und damit eines entsprechenden Volumens des Kühlkanales eine entsprechend hohe ringförmige Ausnehmung in den Kolbenrohling einzubringen, um den Kühlkanal mit einem spanabhebenden Werkzeug in entsprechender Höhe realisieren zu können. Das heißt, daß die ringförmige Ausnehmung mindestens die gleiche Höhe haben muß wie der anschließend eingebrachte Kühlkanal. Dies hat zur Folge, daß diese ringförmige Ausnehmung einerseits die Bauhöhe (Kompressionshöhe) des Kolbens erhöht und gleichzeitig die Festigkeit des Kolbens schwächt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen Kolben anzugeben, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß vorgesehen sind ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie ein Kolben, bei dem nach Herstellung eines Kolbenrohlings vom Außenumfang des Kolbenrohlings in den Kolbenboden eine radial umlaufende Ausnehmung eingebracht, insbesondere durch Einstechen, wird, die teilweise den Kühlkanal bildet, wobei anschließend die Ausnehmung von einem Einsatz radial umlaufend verschlossen wird. Damit ist keine ringförmige Ausnehmung erforderlich, um den Kühlkanal einzubringen, die Auswirkung auf die Bauhöhe (Kompressionshöhe) des Kolbens hätte. Damit kann die Kompressionshöhe des Kolbens wesentlich kleiner ausfallen als bisher. Gleichzeitig entfällt eine Schwächung des Kolbens, da die Ausnehmung, insbesondere eine als Nut ausgeführte Ausnehmung, etwa im Bereich des Ringfeldes eingebracht wird. Außerdem spielt die Baugröße des Werkzeuges, mit dem die Ausnehmung spanabhebend in den Kolbenboden eingebracht wird, keine Rolle, so daß Freiheiten bei der Wahl der Form und der Größe des Werkzeuges bestehen. Insbesondere kann zur Herstellung eines ausreichenden Volumens des Kühlkanales die Ausnehmung mit einer Hinterschneidung versehen sein. Nachdem die radial umlaufende Ausnehmung aus Richtung des Außenumfanges des Kolbenrohlings, insbesondere im Bereich des Ringfeldes, eingebracht worden ist, wird sie anschließend von einem Einsatz ebenfalls radial umlaufend verschlossen, wobei der Einsatz so gestaltet ist, daß er mehr oder weniger bündig mit der Oberfläche des Kolbenrohlings abschließt und damit die Ausnehmung nach außen hin verschließt. Der Innendurchmesser des Einsatzes ist dabei so gewählt, daß ein hinreichend großer Kühlkanal (Ringkanal) zur Aufnahme des Kühlmediums verbleibt. Nachdem der Einsatz die Ausnehmung verschlossen hat, erfolgt eine Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings, wobei vorher noch der Einsatz unlösbar mit dem Kolbenrohling, insbesondere durch Verschweißen oder Verlöten, verbunden wird. Durch diese unlösbare Verbindung entsteht in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Versteifung des Kolbenbodens im Bereich des Ringfeldes. Ist der Einsatz im Bereich einer Ringnut vorgesehen, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem Verschließen der Ausnehmung mit dem Einsatz in diesen zumindest eine Ringnut eingebracht werden. Darüber hinaus ist es denkbar, je nach Erstreckung des Einsatzes in der Höhe auch mehrere Ringnuten nebst zugehörigen Ringstegen einzubringen.

Unter dem Begriff „Kolben" sind nur solche Kolben zu verstehen, die aus einem Werkstoff mit einem spezifischen Gewicht ≥ 3 gr/cm³ (wie Stahl/Grauguß) bestehen. Von der Erfindung sind nicht Leichtmetall-Werkstoffe wie Aluminium umfaßt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Einsatz als ein Ring ausgebildet, der über den Kolbenrohling geschoben und im Bereich der Ausnehmung gestaucht wird. Durch das Stauchen schließt der Ring in etwa bündig mit dem Außenumfang des Kolbenrohlings ab und verschließt die Ausnehmung nach außen. Durch den Stauchvorgang ist der Einsatz in der Ausnehmung festgesetzt, wobei zusätzlich die Stoßkanten zwischen dem Kolbenrohling und dem Ring beispielsweise durch Laser- oder Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden werden können. Die Stauchung hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Schweißung bei höheren Festigkeitsanforderungen derart erfolgen kann, daß der Schweißstrahl nicht in Richtung des Kühlkanales austreten kann. Alternativ zum Schweißvorgang ist auch ein Lötvorgang denkbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Einsatz als ein in Axialrichtung geschlitzter Ring ausgebildet, der durch Aufweiten über den Kolbenrohling geschoben und im Bereich der Ausnehmung in diese eingeführt wird. Dadurch kann der Stauchvorgang entfallen, so daß nach dem Aufweiten und dem Überschieben des Ringes dieser im Bereich der Ausnehmung in diese gepreßt und am Umfangsstoß und an den Stirnflächen, die an dem Kolbenrohling anliegen, verschweißt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist es denkbar, daß der Einsatz auch als zwei- oder mehrteiliger Ring ausgebildet ist, wobei zum Beispiel zwei Ringhälften von außen in die Ausnehmung eingesetzt und an den Stoßkanten und am Umfangsstoß mit dem Kolbenrohling verschweißt werden.

Alternativ zu der Ausgestaltung des Einsatzes als Ring kann der Einsatz auch als umlaufender Blechstreifen die Ausnehmung verschließen. Ein entsrechend der Höhe der Ausnehmung angepaßter Blechstreifen wird derart radial umlaufend in die Ausnehmung eingelegt, daß der Blechstreifen in etwas bündig mit dem Außenumfang des Kolbenrohlings abschließt. Nach dem Einsetzen wird der Blechstreifen an seinen radial umlaufenden Ober- und Unterkanten mit dem Kolbenrohling verbunden, ins besondere verschweißt. In dieser Ausgestaltung bietet es sich an, den Blechstreifen im Bereich zwischen zwei Ringnuten anzuordnen. Ergänzend oder alternativ dazu kann auch der Blechstreifen, genauso wie die Ringe, hinter dem Außenumfang des Kolbenrohlings zurückversetzt in der Ausnehmung angeordnet werden, so daß durch diese Zurücksetzung gleichzeitig eine Ringnut gebildet wird. Damit entfällt das zumindest teilweise Einbringen einer Ringnut in den Einsatz, falls dieser im Bereich des Ringfeldes an einer Stelle zu liegen kommt, in der sich eine Ringnut befindet.

Alternativ hierzu kann für den Fall, daß der Einsatz im Bereich einer Ringnut zumindest teilweise vorhanden ist, die Ringnut beispielsweise durch Einstechen in den Einsatz hergestellt werden. Dabei kann der Einsatz die Ringnut vollständig aufnehmen oder aber auch teilweise oder vollständig die Ringnut bilden sowie auch Bestandteil eines Ringsteges sein.

Ein erfindungsgemäßer Kolben, auf den die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt ausschnittweise einen Kolben 1 (Stahlkolben), bei dem Kolbenboden (auch Kolbenkopf genannt) mit der Bezugsziffer 2 versehen ist. Im Bereich des Kolbenbodens 2 ist ein Ringfeld 3 vorhanden, welches in an sich bekannter Weise Ringnuten und Ringstege aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Ringfeldes 3 hinter diesem Ringfeld 3 ein radial umlaufender Kühlkanal 4 vorhanden, der den Kolbenboden 2 und auch den Bereich des Ringfeldes 3 kühlen soll. Zur Herstellung des Kühlkanales 4 ist nun vorgesehen, daß vom Außenumfang des Kolbens 1, der zunächst als Kolbenrohling hergestellt wird, eine radial umlaufende Ausnehmung 5 in den Kolbenboden 2 eingebracht wird. Dies erfolgt beispielsweise durch einen Einstechvorgang mittels spanabhebender Bearbeitung. Diese Ausnehmung 5 reicht bis in Richtung des Kühlkanales 4, wobei die Ausnehmung 5 zunächst in etwa rechteckige Querschnittsform aufweisen kann, wobei zur Erzielung einer abgerundeten Querschnittsform des Kühlkanales 4 und somit zur Vergrößerung des Volumens des Kühlkanales 4 eine Hinterschneidung vorgesehen werden kann.
Nachdem die Ausnehmung 5, gegebenenfalls mit Hinterschneidungen, in den Kolbenboden 2 eingebracht worden ist, wird diese Ausnehmung 5 von einem Einsatz 6 radial umlaufend verschlossen. Dabei ist die geometrische Form des Einsatzes 6 so gewählt, daß sie nach außen hin in etwa bündig mit dem Außenumfang des Kolbenrohlings abschließt, gleichzeitig aber auch den Bereich des späteren Kühlkanales 4 freiläßt. Nachdem der Einsatz 6 der Ausnehmung 5 festgesetzt, insbesondere mit dem Kolben 1 bzw. dessen Kolbenrohling unlösbar verbunden wurde, wird für den Fall, daß der Einsatz 6 sich im Bereich einer Ringnut befindet, diese Ringnut zumindest teilweise oder vollständig in den Einsatz 6 mittels spanabhebender Bearbeitung eingebracht.
Die Einbringung der Ausnehmung erfolgt in besonders vorteilhafter Weise vom Außenumfang des Kolbenrohlings aus im Bereich des Ringfeldes 3, da dann die Ausnehmung und gegebenenfalls die Schweißnähte, mit denen der Einsatz mit dem Kolbenrohling unlösbar verbunden wird, außerhalb der kritischen Lastpfade im Kolbenboden 2 liegen. Denkbar ist aber auch, daß die Ausnehmung 5 außerhalb des Ringfeldes 3, gegebenenfalls auch von der Oberseite des Kolbenbodens 2, eingebracht wird. Außerdem ist eine im Gegensatz zur senkrechten Einbringung der Ausnehmung 5, wie sie in der Figur gezeigt ist, schräge Einbringung der Ausnehmung 5 vom Außenumfang des Kolbenrohlings her denkbar.
Weitere Bestandteile des Kolbens 1 sind in an sich bekannter Weise die Kolbenschäfte 7, die Kolbennabe 8, die Bolzenbohrung 9 sowie eine Brennraummulde 10.

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Ringfeld
4: Kühlkanal
5: Ausnehmung
6: Einsatz
7: Kolbenschaft
8: Kolbennabe
9: Bolzenbohrung
10: Brennraummulde

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit einem in einem Kolbenboden (2) angeordneten Ringfeld (3) und einem dahinter angeordneten Kühlkanal (4), wobei zunächst ein Kolbenrohling hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vom Außenumfang des Kolbenrohlings in den Kolbenboden (2) eine radial umlaufende Ausnehmung (5) eingebracht wird, die teilweise den Kühlkanal (4) bildet, wobei anschließend die Ausnehmung (5) von einem Einsatz (6) radial umlaufend verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) als ein einteiliger Ring ausgebildet ist, der über den Kolberohling geschoben und im Bereich der Ausnehmung (5) gestaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) als ein Axialrichtung geschlitzter Ring ausgebildet ist, der durch Aufweiten über den Kolbenrohling geschoben und Bereich der Ausnehmung (5) in diese eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) als umlaufender Blechstreifen die Ausnehmung (5) verschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) unlösbar mit dem Kolbenrohling verbunden wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Einsatz (6) nach dem Verschließen der Ausnehmung (5) eine Ringnut eingebracht wird.
Kolben (1) mit einem im Kolbenboden (2) angeordneten Ringfeld (3) und einem dahinter angeordneten Kühlkanal (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) vom Außenumfang in dem Kolbenboden (2) eine radial umlaufende Ausnehmung (5) aufweist, die teilweise den Kühlkanal (4) bildet, wobei die Ausnehmung (5) von einem Einsatz (6) radial umlaufend verschlossen ist.
Kolben (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) als ein einstückiger Ring ausgebildet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) als ein in Axialrichtung zumindest einmal geschlitzter Ring ausgebildet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (6) als umlaufender Blechstreifen ausgebildet ist.